Bonnie Bassler o tome kako bakterije komuniciraju

Bakterije su najstariji živući organizmi na Zemlji. Ovdje su milijardama godina. i u stvari oni su jednostanični mikroskopski organizmi. Dakle, oni su u stvari jedna stanica i imaju posebno svojstvo da imaju samo jedan komad DNA. Imaju vrlo malo gena, i gensku informaciju kako bi kodirali sva svojstva koja izvršavaju. A način na koji bakterije preživljavaju je taj da crpe hranjive tvari iz okoliša, narastu do dvostruke svoje veličine, presijeku se napola po sredini, i od jedne stanice nastanu dvije, i tako dalje, i tako dalje. One samo rastu i dijele se, rastu i dijele se -- dakle, poprilično dosadan život, no pored toga bih vam željela dokazati, da vi imate čudesnu interakciju s ovim stvorenjima.

Znam da o sebi mislite kao o ljudskim bićima, a ovo je otprilike što ja mislim o vama. Ovaj čovjek bi trebao predstavljati općenito ljudsko biće, i svi krugovi u ovom čovjeku predstavljaju sve stanice koje tvore vaše tijelo. Postoji oko trilijun ljudskih stanica od kojih se sastoji svatko od nas tko smo i što smo sve u stanju činiti, međutim, vi posjedujete 10 trilijuna bakterijskih stanica u vama i na vama u svakom trenutku vašega života. Znači, 10 puta više bakterijskih stanica nego ljudskih stanica po ljudskom biću. I naravno, DNA su te koje se broje, dakle, ovdje su svi A, T, G-ovi i C-ovi koji sačinjavaju vaš genetički kod, i daju vam sve vaše dražesne osobine. Imate oko 30.000 gena. Po tome ispada da imate 100 puta više bakterijskih gena koje imaju neku ulogu u ili na vama tijekom cijelog vašeg života. U najboljem slučaju, vi ste 10 posto čovjek, no vjerojatnije je da ste jedan posto čovjek, ovisno o tome koja vam se metrika više sviđa. Znam da o sebi mislite kao o ljudskim bićima, no, ja o vama mislim kao o 90 ili 99 postotnim bakterijama.

(Smijeh)

Ove bakterije nisu pasivni putnici, i one su nevjerojatno važne, one nas održavaju živima. Prekrivaju nas nevidljivim oklopom koji nas štiti od vanjskih ozljeda te tako ostajemo zdravi. Oni probavljaju našu hranu, oni tvore naše vitamine, oni u stvari podučavaju naš imunosni sustav kako ne dozvoliti lošim mikrobima pristup. Znači, oni čine sve te čudesne stvari koje nam pomažu i koje su neophodne kako bismo bili živi, i zbog toga nikad nisu u bilo kakvoj stisci. Međutim, mnogo se piše o njima, jer čine mnoge užasne stvari. Prema tome, postoje mnoge vrste bakterija na Zemlji koje ne bi trebale biti u ili na vama nikada, a ako jesu, čine vas nevjerojatno bolesnim.

I tako, pitanje za moj laboratorij je želite li misliti samo o dobrim stvarima koje bakterije čine, ili samo o lošim koje one čine. Pitanje koje se nameće je kako one uopće mogu bilo što raditi? Mislim, one su nevjerojatno malene, neophodan vam je mikroskop kako biste jednu od njih vidjeli. Žive taj dosadan život u kojem samo rastu i dijele se, i uvijek ih se smatralo za nedruštvene, samotnjačke organizme. Tako, izgledalo nam je da su isuviše mali a da bi imali utjecaj na okolinu ako jednostavno djeluju kao jedinke. I željeli smo razmisliti ne bi li mogao postojati drugačiji način kako bakterije žive.

Ključ rješenja za ovo nam je pružila jedna druga morska bakterija, a ona se zove Vibrio fischeri. Ono što vidite na ovom dijapozitivu je jedna osoba iz moga laboratorija kako drži tikvicu sa tekućom kulturom bakterija, bezopasnih i prelijepih bakterija koje potječu iz oceana, imena Vibrio fischeri. Ove bakterije imaju naročito svojstvo da stvaraju svijetlost, i tako stvaraju bioluminiscenciju, isto kao što krijesnice stvaraju svijetlost. Ovdje nismo ništa radili sa stanicama. Samo smo snimili fotografiju prethodno ugasivši svjetlost u prostoriji, i evo što se vidi.

Ono što nam je zapravo bilo zanimljivo nije bilo to što bakterije svijetle, nego kada one to čine. Zamijetili smo da kada su bakterije bile same, znači kad su u bile u razrijeđenom rastvoru, nisu stvarale svjetlost. Međutim, kad su narasle do određenog broja stanica sve bakterije su upalile svjetla istovremeno. Pitanje koje se nametnulo je kako mogu bakterije, ti primitivni organizmi, razlikovati vrijeme kad su same, od vremena kad su u nekoj zajednici, i zatim sve odreda učiniti nešto zajedno. Ono što smo zaključili je da je način kako to one čine putem međusobnog razgovora, a razgovaraju jezikom kemije.

Ovo bi trebala biti stanica bakterije. Kada je sama ona ne stvara svjetlost. No, ono što čini je da stvara i izlučuje malene molekule koje možete zamisliti kao hormone, a to su ovi crveni trokutovi, i kada je bakterija sama molekule jednostavno odplutaju i onda nema svjetlosti. Međutim, kada bakterija naraste i umnoži se i kada sve one sudjeluju u stvaranju ovih molekula, molekula -- izvanstanična količina te molekule se povećava proporcionalno broju stanica. A onda kada molekule dosegnu određeni broj to govori bakteriji koliko susjeda ima, one prepoznaju tu molekulu i sve bakterije sinkronizirano upale svjelost. Tako funkcionira bioluminiscencija -- one ragovaraju pomoću kemijskih riječi.

Razlog zašto Vibrio fischeri to čine potječe iz biologije. I opet, još jedna utičnica za životinje u oceanu, Vibrio fischeri živi u ovoj lignji. Ono što gledate je Havajska kratkorepa lignja, i izokrenuta je na leđa, i ono što se nadam da vidite jesu ova dva krilca koja svijetle a koja nastanjuju stanice Vibrio fischeri, one žive tamo, kada je broj stanica velik ta molekula je tamo, i one stvaraju svjetlost. Razlog zašto je lignja voljna podnositi ovakve smicalice je što želi svjetlost. Ovakva simbioza funkcionira jer ova mala lignja živi uza samu obalu Havaja, baš u plitkoj vodi koja doseže do koljena. Lignja je noćna životinja, te je preko dana zakopana u pijesak i spava, a onda noću mora izaći van da bi lovila. Za vrijeme vedrih noći kada ima dosta svjetlosti zvijezda ili je mjesečina ta svjetlost može prodrijeti kroz dubinu vode u kojoj lignja živi, zato što je to samo nekoliko stopa vode. Ono što je lignja razvila je neka vrsta preklopnika kojega otvara i zatvara iznad tog specijaliziranog svjetlosnog organa s bakterijama. Zatim ima detektore na leđima tako da može osjetiti koliko mjesečine ili svjetlosti zvijezda pada na njena leđa. Onda ona otvara ili zatvara preklopnik tako da količina svjetlosti koja dolazi sa dna -- a koju stvaraju bakterije -- točno odgovara količini svjetlosti koja udara o leđa lignje, na taj način lignja ne stvara sjenu. U stvari ona koristi svjetlost bakterija za kontra-osvjetljenje sebe, kao uređaj za zaštitu od predatora tako, grabežljivci ne mogu vidjeti njenu sjenu, procijeniti njenu putanju i pojesti je. Ovo nalikuje na oceanske nevidljive bombardere.

(Smijeh)

Onda kad bolje razmislite o ovome, lignja ima ovaj strašan problem zato što ima ovu umiruću, zgusnutu kulturu bakterija i ne može ih održavati. I onda što se dešava, svako jutro kada sunce izlazi lignja odlazi na spavanje, ukopavavajući se u pijesak, ona ima pumpu koja je uklopljena u njen svakodnevni ritam, i kada sunce izađe ona ispumpava nekih 95 posto bakterija. Sada su bakterije razrijeđene, ona mala hormonska molekula je nestala, tako da one ne stvaraju svjetlost -- no naravno lignja za to ne mari. Ona spava u pijesku. I kako dan odmiče bakterije se množe, oslobađaju molekulu, i svjetlost nastaje noću, točno onda kada lignji treba.

Prvo smo shvatili kako ove bakterije to rade, no zatim smo uključili u ovo biološke alate kako bismo shvatili stvarni mehanizam. I što smo otkrili -- znači ovo bi trebala biti, ponovno, moja stanica bakterije -- je da Vibrio fischeri posjeduje protein -- to je ovaj crveni kvadratić -- to je enzim koji stvara onu malu molekulu hormona -- crveni trokut. I onda kako stanice rastu, sve one otpuštaju tu molekulu u okolinu, tako da tamo ima mnogo molekula. Bakterija također ima receptor na svojoj staničnoj površini koji pristaje kao brava i ključ toj molekuli. Ovi su receptori isti kao i na površini vaših stanica. Kada se broj molekula poveća do određenog iznosa -- što govori ponešto o broju stanica -- on se zaključava unutar toga receptora te u stanicu dolazi informacija koja govori stanici da uključi kolektivno ponašanje za stvaranje svjetlosti.

Ovo je zanimljivo jer smo u prošlom desetljeću otkrili da ovo nije samo neka anomalija ove smiješne, u mraku svjetleće bakterije koja živi u oceanu -- sve bakterije imaju sustav sličan ovomu. Dakle, shvatili smo da sve bakterije mogu međusobno govoriti. Oni stvaraju kemijske riječi, one raspoznaju te riječi, i one uključuju skupna ponašanja koja su uspješna jedino kada sve stanice sudjeluju zajednički. Imamo simpatično ime za ovo, zovemo to kvorumska svijest. Oni glasuju putem ovih kemijskih glasova, glas se zbroji, i zatim svi odgovaraju na izglasano.

Što je važno za današnje izlaganje je to da mi znamo da postoje stotine vrsta ponašanja koja bakterije izvode na ovakav zajednički način. No ono što je vjerojatno za vas najznačajnije jest zaraznost. To nije kao kad par bakterija dospije u vas i počinju lučiti neke otrove -- vi ste ogromni, to ne bi imalo učinak na vas. Vi ste golemi. Ono što one rade, a sada smo to shvatili, uđu u vas, čekaju, počinju se množiti, prebrojavaju se pomoću ovih malenih molekula, i prepoznaju kada dosegnu pravi broj stanica i kada bi sve bakterije započele svoj napad zajednički, tada bi bile uspješne u svladavanju ogromnog domaćina. Bakterije uvijek kontroliraju patogenost pomoću kvorumske svijesti. Tako to funkcionira.

Zatim smo, također željeli provjeriti što su ove molekule -- to su bili crveni trokutovi na mom prethodnom dijapozitivu. Ovo je molekula Vibrio fisheri. Ovo je riječ pomoću koje govori. Dakle, zatim smo počeli gledati kod drugih bakterija, i ovo je samo manji dio molekula koje smo otkrili. Nadam se da možete vidjeti da su molekule u povezane. Dio s lijeve strane molekula je jednak kod svake vrste bakterija. Međutim, desna strana molekula je malo drugačija kod svake pojedine vrste. U biti, to je ono što daje pojedinoj vrsti posebnost njihovih jezika. Svaka molekula se uklapa s receptorom svoga partnera i nijednog više. Znači, ovo su osobni, tajni razgovori. Ovi razgovori služe za komunikaciju među vrstama. Svaka bakterija koristi posebnu molekulu koja je njen jezik, i koja omogućuje prebrojavanje svoje subraće.

Kad smo stigli tako daleko mislili smo da smo počinjali razumijevati da bakterije imaju takva društvena ponašanja. No ono što smo zaista mislili je da većinu vremena bakterije ne žive same, one žive u nevjerojatnim mješavinama, sa stotinama i tisućama drugih vrsta bakterija. I to je opisano na ovom dijapozitivu. Ovo je vaša koža. Ovo je samo slika -- mikrograf vaše kože. Posvuda na vašem tijelu, ovo izgleda približno isto, i nadam se da možete vidjeti da tamo ima svih vrsta bakterija. I tako, počeli smo razmišljati je li ovo stvarno do komunikacije kod bakterija, i da se radi o prebrojavanju susjeda, nije dovoljno moći razgovarati samo unutar svoje vrste. Mora postojati način kako načiniti popis ostalih bakterija unutar populacije.

Tada smo se vratili molekularnoj biologiji i počeli proučavati različite bakterije, i onda smo otkrili da su, zapravo, bakterije višejezične. Sve one imaju sustav poseban za svoju vrstu -- imaju molekulu koja govori "ja". No uz taj, postoji paralelni, drugi sustav kojega smo otkrili, a on je opći. Dakle, imaju drugi enzim koji stvara drugi signal a on ima svoj vlastiti receptor, i ova molekula je jezik razmjene između bakterija. Koriste je sve vrste bakterija i to je jezik komunikacije među vrstama. Ono što se događa je da su bakterije u stanju prebrojati koliko ima "mene", a koliko "tebe". One unose informaciju, i onda odlučuju koji zadatak poduzeti u ovisnosti tko je u manjini, a tko u većini u bilo kojoj populaciji.

Onda, ponovno se okrećemo kemiji, i shvatamo kakva je ova opća molekula -- što su bile ružičaste elipse na mom zadnjem dijapozitivu, to je ta. To je veoma mala petoerovalentna ugljikova molekula. Važna stvar koju smo naučili je da svaka bakterija ima potpuno isti enzim i tvori potpuno istu molekulu. Znači, oni koriste ovu molekulu za komunikaciju između vrsta. To je bakterijski Esperanto.

(Smijeh)

Kad smo već tako daleko dogurali, počeli smo shvačati da bakterije mogu međusobno razgovarati putem tog kemijskog jezika. Međutim, počeli smo misliti da možda postoji nešto praktično što ovdje možemo učiniti. Već sam vam rekla da bakterije uistinu imaju različita društvena ponašanja, one komuniciraju pomoću ovih molekula. Naravno, isto sam vam već rekla da je jedna od važnijih stvari što one čine da izazivaju patogeni učinak koristeći kvorumsku svijest. Mislili smo, što ako prisilimo ove bakterije tako da ne mogu govoriti ili ne mogu čuti? Zar ne bi one mogle postati nove vrste antibiotika?

Svakako, upravo ste čuli i već znate da nam ponestaje antibiotika. Bakterije su trenutno veoma otporne na različite vrste lijekova, a to je stoga što svi antibiotici koje koristimo ubijaju bakterije. Oni izazivaju pucanje bakterijske membrane, koje tvore bakteriju tako da ona ne može replicirati svoju DNA. Ubijamo bakterije tradicionalnim antibioticima a to selekcionira otporne mutante. I naravno sada imamo ovaj globalni problem sa zaraznim bolestima. Pomislili smo, što kad bismo mogli načiniti neku vrstu promjene ponašanja, jednostavno prisiliti bakterije da ne mogu govoriti, da ne mogu brojati, i time da ne znaju započeti zarazu.

E pa točno to smo i učinili, i primijenili dvije strategije. Prva je da smo napali komunikacijski sustav među vrstama. Napravili smo molekule koje su nalikovale stvarnim molekulama -- koje ste vidjeli -- no ipak su malo drugačije. One se prihvate na ove receptore, i pobrkaju raspoznavanje stvarnih stvari. Napadom na crveni sustav, u stanju smo učiniti posebnu vrstu, ili molekule anti-kvorumske svijesti posebnih bolesti. Isto to smo uradili i sa ružičastim sustavom. Uzeli smo tu univerzalnu molekulu te je malo promijenili i time smo načinili suparnike komunikacijskom sustavu među vrstama. Nadati se da će ovo biti primijenjeno na različite vrste antibiotika koji djeluju protiv bakterija.

Na kraju samo ću vam pokazati strategiju. U ovoj prvoj, koristim samo molekulu među vrstama, no logika je potpuno ista. Ono što znate je da kada bakterija uđe u životinju, u ovom slučaju, u miša, ne uzrokuje zarazu odmah. Ona uđe, počinje rasti, i počinje lučiti svoje molekule kvorumske svijesti. Prepozna kada ima dovoljno bakterija i tada one započinju svoj napad, i životinja umire. Ono što smo u mogučnsti učiniti je dati ove infekcije, ali zajedno sa našim molekulama anti-kvorumske svijesti -- znači ove molekule nalikuju na prave, osim što su malo drugačije, kao što sam opisala na ovom dijapozitivu. Sada znamo da kada tretiramo životinju patogenim bakterijama -- otpornima na različite lijekove -- istovremeno im dajući i naše molekule anti-kvorumske svijesti, životinja preživljava.

Smatramo da je ovo sljedeća generacija antibiotika i da će barem u početku uspjeti zaobići taj veliki problem otpornosti. Nadam se da razumijete, da bakterije mogu govoriti međusobno, koristeći pri tom kemijske spojeve kao riječi da imaju nevjerojatno složen kemijski rječnik, i da tek sada počinjemo to spoznavati. Naravno, ono što omogućuje bakteriji da to čini je višestaničnost. Dakle, u duhu TED-a oni ovo čine zajednički jer to omogućuje razliku. Ono što se događa, je da bakterije imaju ta kolektivna ponašanja, i one mogu izvršiti zadatke koje nikada ne bi mogle izvršiti kad bi djelovale pojedinačno.

Nadam se nadalje da vas mogu uvjeriti da je ovo izum višestaničnosti. Bakterije su na Zemlji već milijardama godina. Ljudi -- tek nekoliko stotina tisuća. Smatramo da su bakterije stvorile pravila kako da višestanični organizmi funkcioniraju. Proučavajući bakterije, mislimo da ćemo steći uvid u to kako funkcionira višestaničnost u ljudskom tijelu. Znamo da će se načela i pravila, ako ih shvatimo u ovim primitivnim organizmima, moći primijeniti pri ljudskim oboljenjima i kod ljudskog ponašanja, također. Nadam se da ste naučili da bakterija može razlikovati sebe od ostalih. Koristeći ove dvije molekule one mogu reći "ja" i mogu reći "ti". Opet, dakako, to je ono što mi činimo, kako na molekularnoj razini, tako i na spoljašnjoj, no, ja ipak razmišljam o molekularnim stvarima.

Ovo je točno ono što se događa u vašem tijelu. Nije kao kad se stanice vašega srca ili bubrega pomiješaju svakodnevno, a to je zato što se sva ta kemija odvija, ove molekule govore koja je koja od ovih skupina stanica, i koja bi im trebala biti zadaća. Ponovno, mislimo da su bakterije to izumile, a vi ste se samo razvili dalje, no, sve ideje se nalaze u ovim jednostavnim sustavima koje možemo proučavati.

Zadnja stvar je, da još jednom ponovim da postoji i ovaj praktični dio, znači načinili smo ove molekule sa anti-kvorum sviješću koje se razvijaju kao nova vrsta lijekova. No onda, da završim i da se ponovno uključim na sve dobre i čudesne bakterije koje žive na Zemlji, također smo napravili i molekule za kvorum svijest. Znači, napadali smo te sustave kako bi primorali molekule da rade bolje. Sjetite se da imate ovih 10 puta više bakterijskih stanica u vama i na vama, i koje vas održavaju zdravima. Ono što još pokušavamo napraviti je da pojačamo razgovor bakterija koje žive zajedno s vama, u nadi da vas načinimo još zdravijima, čineći te razgovore boljima, znači bekterije mogu činiti stvari koje mi želimo da rade bolje nego bi to same činile.

Konačno, želim vam pokazati ovo je moje društvo na Princeton-u, New Jersey. Sve o čemu sam vam govorila je otkrio netko s ove slike. Nadam se da kada naučite neke stvari, kao na primjer kako prirodan svijet funkcionira -- želim samo kazati da kadgod pročitate nešto u novinama ili čujete neko izlaganje o nečem smiješnom u prirodnom svijetu to je napravilo neko dijete. Nauka se stvara od takve populacije. Svi ovi ljudi su između 20 i 30 godina starosti, i oni su stroj koji pokreće znanstvena otkrića u ovoj zemlji. Stvarno je to zahvalna populacija za rad. Ja postajem sve starija i starija, a oni ostaju uvijek istih godina, i ovo je jednostavno ludo ugodan posao. Željela bih vam se zahvaliti što ste me pozvali ovdje. Za mene je izuzetno uživanje bio dolazak na ovu konferenciju.

(Pljesak)

Hvala.

(Pljesak)